CN107590573A - 干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，涉及水文水资源工程技术领域。该量化方法包括：在小流域上建立观测系统，进行多种要素观测；构建数据库，根据构建的数据库制作模型参数集，驱动水文模型以量化小流域水资源量。本发明对干旱内陆河浅山区小流域水文气象、水文、土壤温湿度进行观测，理清内陆河浅山区小流域降雨‑径流过程，通过分布式水文模型的模拟，清晰刻画浅山区小流域水文循环过程，并准确量化干旱内陆河浅山区小流域水资源量；本发明弥补了干旱内陆河浅山区小流域缺少观测资料的现状，基于物理过程，提出计算浅山区小流域水资源量的方法，对实现内陆河流域精细水资源管理具有重要的意义。

Description

干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法

技术领域

本发明涉及水文水资源工程技术领域，具体而言，涉及一种干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法。

背景技术

干旱浅山区是内陆河流域山区的重要组成部分，是高山区与绿洲平原的过渡地带，由众多狭长沟壑型小流域组成。近年来，以水文站为基础，内陆河山区较大河流的流域水资源量得到了很好的计算与量化。但是，在浅山区尚有众多的小流域，这些小流域绝大部分无常年性流水，沟多坡陡，对所有小流域进行建站观测难度较大，目前仍然没有详细的水文观测资料，浅山区小流域的水资源量无法准确计算。在以往水资源评估中干旱浅山区的水资源量往往依据经验进行估算，在绘制径流深等值线时，一般沿山脚绘5mm及10mm等值线，没有较多参考数据。降水径流关系不清楚，导致内陆河干旱浅山区水资源量的计算具有很大的不确定性，给中游绿洲水资源量的准确评价造成误差，给内陆河流域精细水资源管理带来难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，通过对干旱内陆河浅山区典型小流域进行观测，进行水文模型模拟与分析，分析内陆河浅山区小流域水量平衡状况，准确量化干旱内陆河浅山区小流域水资源量，为内陆河流域集成水资源管理和精细水资源管理提供科学依据。

本发明的实施例是这样实现的：

一种干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其包括：在小流域上建立观测系统，进行多种要素观测；构建数据库，根据构建的数据库制作模型参数集，驱动水文模型以量化小流域水资源量。

本发明实施例的有益效果是：

本发明对干旱内陆河浅山区小流域水文气象、水文、土壤温湿度进行观测，理清内陆河浅山区小流域降雨-径流过程，通过分布式水文模型的模拟，清晰刻画浅山区小流域水文循环过程，并准确量化干旱内陆河浅山区小流域水资源量；本发明弥补了干旱内陆河浅山区小流域缺少观测资料的现状，基于物理过程，提出计算浅山区小流域水资源量的方法，对实现内陆河流域精细水资源管理具有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的用于观测土壤温湿度的分层示意图；

图3为本发明实施例提供的用于观测地下基流的基流观测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的用于观测地面径流的地表径流观测装置的结构示意图；

图5是基于DHSVM模型的计算过程示意图。

图标：100-基流观测装置；110-管体；111-进水管；112-连接管；113-出水管；120-基流探头；130-数据采集器；200-地表径流观测装置；210-第一量水面；211-第一侧边；212-第二侧边；220-第二量水面；221-第三侧边；222-第四侧边；230-底座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明实施例提供了一种干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其包括：在小流域上建立观测系统，进行多种要素观测；构建数据库，根据构建的数据库制作模型参数集，驱动水文模型以量化小流域水资源量。

接下来将详细对干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法中的具体步骤进行阐述，请参阅图1：

步骤S1：小流域选择。

本发明首先选择一个典型的干旱内陆河浅山区小流域，所选小流域要求包括山区部分和山前平原部分，山区部分为产流区，山前平原部分为径流散失区，天然闭合，一般为狭长型，面积为6～10km²，小流域内有泉水出漏点，有适合建设安装地表径流观测装置200的狭窄沟口。狭窄沟口要求有基岩出漏或基岩埋深较浅。本实施例中的基岩埋深较浅表示基岩的埋深大约为1-3m。选择的小流域内尽量无人类活动干扰，保持自然状态。小流域内无冰川、永久冻土分布。覆被类型一般包括：高山灌丛草甸、森林、高山草地、灌木林、高山草原。小流域一般呈南北走向，包括(半)阴、(半)阳坡。小流域海拔高度一般为：2000～3500m。

步骤S2：要素观测。

如图2、3、4所示分别为用于地表径流观测、地下基流观测、土壤温湿度观测的装置示意图。

(1)气象要素观测。

在选定的小流域内根据预设特征选定2-5处作为采样地，安装自动气象站，对小流域内常规气象要素进行观测。本实施例所述的预设特征包括但不限于海拔梯度、坡向、地表覆被类型。

要求观测的气象要素包括常规七要素：气温、降水、相对湿度、太阳辐射、风向、风速、大气压。自动气象站要求带有太能能供电装置，观测时间间隔能够根据选择设置1min～24h不等，带有存储装置，能够自动存储气象要素。

(2)土壤温湿度观测

如图2所示为土壤温湿度分层观测示意图。在进行土壤温湿度分层观测时，首先，要求在小流域内选择2～5个采样地，布设土壤温湿度观测装置。采样地要求包括不同覆被类型、不同坡向、不同海拔高度带，以便于进行对比。在安装土壤温湿度探头时，要求开挖一个0.6m×1.0m的坑，深度大于120cm，分层布设土壤温湿度探头。要求，一般设置为8层进行观测，分别为5cm、10cm、20cm、40cm、60cm、80cm、100cm和120cm。探头另一端连接数据采集器130，进行自动记录。观测的时间间隔一般设置为1min-24h，优选为4～6h。每隔三个月对仪器进行更换电池。

(3)地下基流观测

在进行地下基流观测时，首先，要求在小流域内选择泉水出水口，安装基流观测装置100(请参阅图3)。基流观测装置100包括管体110、基流探头120和数据采集器130；管体110包括进水管111、连接管112以及出水管113，进水管111和出水管113的轴心线平行，连接管112的轴心线与进水管111的轴心线垂直，进水管111和出水管113连接至连接管112的两端形成“Z”字形PVC管，出水管113高于所述进水管111，也即是进水口在下，出水口在上。

具体地，PVC管直径一般为90～160mm，根据图3示意图，制作Z型PVC管，两端水平部分即进水管111和出水管113要求长度为50cm，垂直部分即连接管112要求长度150cm，基流探头120安装于连接管112靠近于出水管113的位置，具体到本实施例中，基流探头120安装于距出水管113以下50cm处。数据采集器130与基流探头120连接。

在进行基流观测装置100安装时，要求在泉水出口处下游3～4m处开挖沟槽，沟槽深度要大于管体110(Z型PVC管)的高度，将泉水引入沟槽，并将泉水全部引入Z型PVC管中，开挖的沟槽底部和槽壁用防渗水材料涂抹，防止基流散失。为防止冬季水流冻结，Z型PVC管用保温材料包裹。地下基流采用自动观测，观测时间间隔一般设置为1min-24h，优选地，观测间隔时间设置为0.5～1h。每隔三个月对仪器进行更换电池。

(4)地表径流观测

请参阅图4，在进行地表径流观测时，首先，要求在小流域内选择有基岩出漏或基岩埋深较浅的狭窄沟口建设安装地表径流观测装置200，本实施例中的基岩埋深较浅表示基岩的埋深大约为1-3m。

本实施例中的地表径流观测装置200为三角形宽顶量水堰，其具体结构如下：地表径流观测装置200包括呈二面角的第一量水面210和第二量水面220，第一量水面210包括相对的第一侧边211和第二侧边212，第二量水面220包括相对的第三侧边221和第四侧边222，第一侧边211和第三侧边221连接形成二面角的棱(也即是，第一侧边211和第三侧边221连接成一条边)，第二侧边212和第四侧边222间隔设置，第二侧边212高于第一侧边211，第四侧边222高于第三侧边221。地表径流观测装置200还包括底座230，第一量水面210和第二量水面220安装于底座230上。

地表径流观测装置200的尺寸要求如下：第一量水面210的宽度为40～60cm，第一量水面210的长度为80～120cm，第二量水面220与第一量水面210对称设置，第一量水面210和第二量水面220之间的平面角为45-120°，优选地，平面角为45°、60°、90°或120°。地表径流观测装置200的高度80～150cm，底座230宽度为100～180cm。按照相应规格尺寸，采用钢板焊接成第一量水面210和第二量水面220，钢板厚度为3～6mm，三角形宽顶量水堰的支架采用钢柱焊接而成，钢柱直径为4～6cm。在进行建设安装时，中间用水泥混凝土填充，安装时务必保持宽顶水平。在三角形宽顶量水堰的底部安装水位计，自动记录水位。在进行地表径流观测时，采用手持流速仪观测流速，进行参数校正。水位记录装置的观测间隔时间为1min-24h；具体地没有洪水发生时，要求每天观测1次；当有洪水发生时，要求每天观测4次，时间间隔为6h。

步骤S3：基础数据库构建。

基础数据库构建是进行水资源量化、水文过程模拟的重要内容。主要包括观测要素(气象数据、土壤温湿度数据、地表径流数据、地下基流数据)数据库构建、土地利用数据库构建、土壤数据库构建、小流域基本特征数据库构建。

(1)观测要素数据库构建

本发明所涉及的观测要素包括气象要素、土壤温湿度数据、地表径流数据、地下基流数据。其中，气象要素包括：逐日最高、最低、平均气温、降水量、风速、风向、相对湿度、太阳辐射、大气压。土壤温湿度数据包括各层土壤温度、土壤湿度。地表径流数据包括：水位深度、流速。地下基流数据包括：瞬时流量、瞬时流速、逐日累积流量。将所有观测数据分别输入数据库进行存储，便于进行相关规律统计。

(2)地表覆被数据库构建

选取小流域内高分辨率遥感影像，要求云量少、质量好，采用ERDAS IMAGINE 9.1图像处理软件解译地表覆被类型，建立地表覆被数据库。在图像处理软件中进行解译时包括：辐射校正、投影校正、RGB假彩色合成以及归一化处理。校正后，将影像投影到同一坐标系，如Xian80坐标系。解译完成后，根据国家标准土地利用类型标准进行合并，并根据野外调查数据，建立地表覆被类型属性数据库。土地利用数据库用于描述小流域下垫面条件，进行水文过程模拟。

(3)土壤数据库构建

本发明所采用的土壤空间数据是从中国1：100万土壤类型数据中裁切得到的。中国1：100万土壤数据采用了传统的“土壤发生分类”系统，基本制图单元为亚类。根据国家土壤数据库，获取小流域内土壤类型数据。土壤属性包括：土壤名称；土壤分层数；土壤各层厚度；土壤水文分组；土壤粒径组成。另外，模型按土壤剖面分层输入的数据主要有：土壤表面到各土壤层深度；土壤容重；有效水容量；土壤饱和导水率；每层土壤中的粘粒、粉粒、砂粒、砾石含量；USLE方程中的土壤可蚀性K值；土壤反照率。采用了双参数修正的经验逻辑生长模型将土壤粒径由国际制转化成美国制；采用SPAW模型中的土壤水文特性模块来计算土壤容重(SOL_BD)、饱和传导系数(SOL_K)及有效水容量(SOL_AWC)，并结合野外调查、室内分析，确定不同土壤类型相应的物理参数和化学参数。

(4)小流域特征数据库构建

建立小流域基本特征数据库，根据小流域数字高程模型，确定地形高程，划分网格，提取小流域汇水边界、数字河网、最长水流路径，提取坡度数据，计算小流域面积、河流长度。

步骤S4：小流域水文过程模拟。

如图5所示为小流域水文过程模拟流程图。根据制作的基础数据库，进行驱动水文模型，例如：DHSVM模型，并进行模型参数率定和模型模拟结果评价，选取NSE系数、R、RMSE三个评价指标，对模拟结果进行评价和模型适应性评估。当模型校正准确后，达到精度要求后进行水文过程模拟。模拟完成后，对模拟结果进行保存。

步骤S5：小流域水资源量化。

根据模型输出结果，计算各个水量平衡要素的值，包括：降水量、蒸散量、土壤含水量变化、积雪含水量变化、径流量。具体包括：确定小流域平均蒸散发量；确定小流域地下基流量；确定次降雨过程降雨量、蒸散发量、产流量、土壤含水量变化量。最终，准确量化小流域水资源量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，其包括：在小流域上建立观测系统，进行多种要素观测；构建数据库，根据构建的所述数据库制作模型参数集，驱动水文模型以量化小流域水资源量。

2.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，在所述小流域上建立所述观测系统之前还包括对所述小流域进行选择：选择位于干旱内陆河浅山区地带的封闭的小流域，所述小流域的面积为6～10km²，所述小流域包括产流区和径流散失区。

3.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，观测多种所述要素包括：

利用安装于所述小流域内采样地的自动气象站以及土壤温湿度观测站分别对气相和土壤温湿度进行观测；

优选地，所述自动气象站和所述土壤温湿度观测站的观测间隔时间均为1min-24h；

可选地，在安装所述自动气象站以及所述土壤温湿度观测站之前，还包括对所述采样地的选择：根据预设特征选定2-5处作为所述采样地，所述预设特征包括所述小流域的海拔梯度、坡向以及地表覆被类型。

4.根据权利要求3所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，采用具有多个土壤温湿度探头的所述土壤温湿度观测站对所述土壤温湿度进行观测，所述土壤温湿度探头的个数为5-8个，且分布于不同高度。

5.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，观测多种所述要素还包括：

利用安装于所述小流域内地下基流的出水口处的基流观测装置对基流进行观测；

优选地，所述基流观测装置的观测间隔时间均为1min-24h；

优选地，所述基流观测装置包括管体、基流探头以及数据采集器，所述管体包括进水管、连接管以及出水管，所述进水管和所述出水管的轴心线平行，所述连接管的轴心线与所述进水管的轴心线垂直，所述进水管和所述出水管连接至所述连接管的两端形成“Z”字形，所述出水管高于所述进水管；所述基流探头安装于所述连接管靠近于所述出水管的位置，所述数据采集器与所述基流探头连接。

6.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，观测多种所述要素还包括：

利用安装于沟口的地表径流观测装置以及安装于所述地表径流观测装置上的水位记录装置对地表径流进行观测；

优选地，所述水位记录装置的观测间隔时间为1min-24h；

可选地，在安装所述地表径流观测装置之前，还包括对所述沟口的选择：选择具有基岩出漏或基岩埋深为1-3m的所述沟口安装所述地表径流观测装置。

7.根据权利要求6所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，所述地表径流观测装置包括呈二面角的第一量水面和第二量水面，所述第一量水面包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第二量水面包括相对的第三侧边和第四侧边，所述第一侧边和所述第三侧边连接形成所述二面角的棱，所述第二侧边和所述第四侧边间隔设置，所述第二侧边高于所述第一侧边，所述第四侧边高于所述第三侧边；

优选地，所述第一量水面和所述第二量水面之间的平面角为45-120°；

优选地，所述地表径流观测装置还包括底座，所述第一量水面和所述第二量水面安装于所述底座上。

8.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，所述水文模型包括DHSVM模型。

9.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，构建所述数据库包括：依据观测得到的所述要素的数据，构建观测要素数据库，根据地表覆被类型构建地表覆被数据库；根据土壤数据构建土壤数据库；根据小流域特征构建小流域特征数据库。

10.根据权利要求1所述的干旱内陆河浅山区小流域水资源量化方法，其特征在于，量化所述小流域的水资源量包括确定所述小流域的平均蒸发量、地下基流量、次降雨过程降雨量、蒸散发量、产流量以及土壤含水量变化量。